Internet核心网络的实现方法

2019-11-03 19:06:04

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Internet核心网络的实现方法<1>（李朝举）摘要：介绍了ip核心网络的三种实现方法，并进行了比较；概要地介绍了MPLS网络，以及使用ATM交换机实现 MPLS的混合交换网络节点。关键词：宽带网 IP MPLS ATM 一、前言基于IP应用业务的发展，要求Internet网络从单一“尽力”服务网络向真正多业务区分服务网络发展。IETF草案：“多协议标签交换（MPLS）框架”文件中，将构造IP核心网络的方法归为三种。目前使用的有两种：数据报路由器网络和运行在ATM上面的数据报路由器网络；第三种方法是MPLS实现的IP网络。本文概要介绍和比较这三种方法；着重介绍MPLS网络以及用 ATM交换机实现 MPLS的混合网络节点。二、三种方法及其比较 1．数据报路由器网络通过物理链路互连数据报路由器构成的网络，这种网络也称为常规路由器网络。数据报路由器简称路由器，它主要由路由协议部件和转发部件两部分组成；在转发部分连接有多个输入和输出链路。路由协议部件使用RIP、OSPF和BGP路由协议与相邻的网络节点之间交换路由消息，维持和更新本节点的路由表；路由表由多个包含目的地地址和下一跳地址的表项组成。转发部件根据输入IP分组头中的目的地地址，查找路由器表获得下一跳地址，再映射到特定的输出链路输出。数据报路由器网络中，每个节点都维持有自己的路由表、独立地对每个输入分组寻路，称为逐跳地寻路。低端路由器的转发部件与路由协议部件一样，主要是通过软件实现，其通过量小，例如几千到几十千PPS；而千兆比路由器转发部分采用硬件实现，包括根据输入头目的地地址查找路由、从输入到输出的传送分组过程均由硬件完成，比软件转发提高3个数量级以上，达到几兆到几十兆PPS的通过量。 2·ATM上面的数据报路由器网络通过ATM虚拟链路互连数据报路由器构成的网络，这种网络也称为ATM叠加的（常规）路由器网络。这种叠加网络中，ATM网络是物理网络（图中的实线网络）、IP网络是逻辑网络，两者的网络拓扑可以不同。ATM叠加的路由器网络比前一种网络方法的好处是能有效地实现网络流量工程（TE）。网络流量工程是指根据网络流量矩阵规划，进行网络各个节点容量和中继线带宽的设计。网络流量矩阵要表列出网络业务所有的源和／或目的地点，以及每个源点到所有目的地点的业务量。网络用户线上的流量（即业务源点发送到网络的业务量和／或国的地点从网络接收的业务量）是一个规划的确定值；在所有网络用户线上的流量（即网络流量矩阵规划）确定的情况下，网络节点之间中继线上的流量是随路由的变化而变化的。按上述，流量工程是根据网络流量矩阵，在确定的网络拓扑和路由条件下，获得满足性能要求节点容量和中继线带宽设计；那么，对于已有的网络能否利用流量工程机制获取好处，答案是肯定的。流量工程的主要作用是平衡网络负荷，即避免有些中继线过负荷产生阻塞、而有些中继线利用不够或空闲，达到有效地利用网络资源和改善网络服务质量的目的。流量工程不是解决所有的阻塞问题，例如：用户线上发生的阻塞、经过精心设计路由后网络仍发生阻塞，这些阻塞只能靠网络扩容解决。流量工程是要靠控制流的路径来平衡负荷。路由器网络中，采用的是逐跳地寻路方式，即每个网络节点独立地寻路领的源节点发出流后不能预先知道或控制其流经网络的路径。与逐跳地寻路相对应的是显式寻路，即流的源节点发出流的同时指定流经过网络的路径。对于数据报路由器网络，要使用显式路由，流的源节点对所发出需显式寻路的每个IP分组，都要在它们的头中带上沿途所有路由器的IP地址；而ATM叠加的数据报路由器网，只要按流量工程需要，在对应的路由器之间建立对应带宽的虚拟链路。因此，ATM叠加的数据报路由器网能更简单、有效地实现流量工程要求。 3．MPLS网络多协议标签交换（MPLS）网络的网络节点称为标签交换路由器（LSR）。LSR由路由协议部件、标签分配协议（LDP）部件和转发部件组成。LSR是在数据报路由器基础上增加了一个LDP部件。 MPLS网络技术的关键想法有两点： ①引入有连接方式。LDP的作用就是将第3层路由协议部件获得的路径信息映射到第2层的连接。LDP又称为MPLS信令控制协议。相邻的LSR之间执行LDP过程，对特定的IP流，商议使用一致的输出标签和输入标签，标签是短（固定长度4字节）信息。在ATM实现MPLS时，标签就是VPI／VCI；对特定的IP流，通过LDP过程商议使用VPI／VCI值。同ATM网络中的VPI／VCI只具有本地含义一样，MPLS网络中的标签也只具有本地含义。MPLS网络中由本地标签串接构成的通路称为标签交换通路（LSP），这种通路在ATM网络中称为虚电路（VC）。但应注意：LSP是单方向的，是指向目的地的；而VC是双方向的，即双向使用相同的VPI／VCI值。 ②对于IP流的传送区分核心和边缘功能。MPLS网络中为了方便地区分，有时把边缘节点功能称为标签边线路由器（LER）、把核心节点功能称为标签交换路由器（LSR）。边缘节点的功能是：对输入（本标签的）IP流分类为转发等价类（FEC），再对特定的FEC加标签，即完成FEC和LSP之间的映射；对输出已标签的IP流去掉标签、按数据报路由器方式转发。核心节点的功能只单纯地按标签转发已标签的分组。 4．三种实现方法的比较 MPLS是对数据报路由器网络包括流量控制机制、QOS支持等方面的重要扩展；它是能够实现新的带宽（IP）公用网络技术。与数据报路由器网络比较，它具有如下优点： ①简化了转发标签交换基于短标签的准确匹配来转发分组；而数据报路由器是基于更长的地址最长匹配算法来转发分组。MPLS中使用的标签头比IP数据报协议中使用的头更简单，这意味着MPLS对IP数据报的转发更简单、而且更容易实现高速路由器。 ②有效地显式寻路显式寻路又称为源寻路，是一种非常有用的网络技术。数据报路由器网上要执行显式寻路时，每个数据报都要携带完整的显式路径信息，即每个IP分组头中都需携带要经过的所有路由器地址。MPLS只在标签传送通路（LSP）建立时携带显式路径信息，后续的分组不必再携带这方面的信息。这就避免了每个分组的开销，使得显式寻路能够在大型网络中获得实际应用。 ③流量工程数据报路由器网络中靠调整相关网络链路的度量，虽然能达到某种程度的负荷平衡，但对于任意两点之间具有大量可迂回通路的网络，使用逐跳地寻路、只靠改变网络链路的度量来达到这些链路上的负荷平衡是困难的。MPLS允许对任何一个特定人口节点到任何一个特定出口节点的流进行单独地标识，即提供了测量与任一对入口和出口节点相关联流量的简单机制。另外，MPLS有效的显式寻路，对于任意将定的流所优选的路径，保证了其实现的简单性。 ④QOS寻路 QOS寻路是指为特定的流寻找满足其QOS要求的路径，这可能涉及到流的划分粒度、寻路操作和路径改变操作三方面的网络机制：某些情况下，为许多特定流中的每个流预留带宽是合适的，但这意味着这些流的总带宽会超过某条链路可承受的带宽。因此，不应是对所有的流、即便是相同人口和出口之间的流走相同的路径，而应是对单个流分别地寻路。这类似流量工程，但要求对流的划分具有更好的颗粒度。在必须对特定的流寻找能满足其带宽要求的通路时，不希望要求沿途的每个网络节点都计算满足这一要求宽带的路径；而好的办法是只要求第一个节点计算路径，再通过显式路由规定穿过网络的路径。同样，由于各种变化的原因，用于QOS寻路的信息可能是过时的，如某个节点或链路的资源不能再满足某个流的资源要求。这种信息不希望告示网络中的某个节点，而只需通知到这个流的开始节点（MPLS的人口节点），这个节点再选择其他的路径迂回。

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